開關電源多路輸出技術控制方法綜述
摘要：對傳統的多路輸出技術做了簡單的歸納和總結，對比分析了幾種傳統多路輸出技術的工作原理、調節方法、優缺點及其應用場合，再詳細介紹了兩種新穎多路輸出技術的基本原理，并結合典型應用對其進行了分析，進而探討了多路輸出技術的發展前景。
關鍵詞：多路輸出；交叉調整率；次級后置裝置調節；恒流源多路輸出變換器；PWM—PD控制
0 引言
多路輸出技術中一個重要性能指標就是負載交叉調整率的問題，我們通常采用變壓器副邊多個繞組的方法來實現多路輸出。但是這種方法一般只采樣一路主輸出進行反饋調節控制，因此交叉調整性能較差。改善多路輸出開關電源交叉調整率的方法可分為無源和有源兩類。本文首先介紹了幾種傳統的多路輸出技術，并對其進行了簡單的分析和總結。重點介紹了兩種新的多路輸出技術：恒流源實現多路輸出和PWM—PD多路輸出技術。結合典型拓撲探討了PWM—PD技術的應用前景。
l 傳統的多路輸出方法
1)無源調節
無源調節通過在次級增加一些簡單的無源器件可以使負載交叉調整率得到一定的改善。無源調節包括耦合電感調節控制和加權電壓反饋調節控制兩種，如圖1所示。前者通過將輸出電感L1、L2繞在同一磁芯上，相當于增大了濾波電感，使輔輸出穩壓，從而使負載交錯性能得到一定改善。加權電壓反饋調節同時檢測反饋幾路輸出電壓加權和到控制電路中，通過合理設計各路輸出反饋電壓的加權因子，調整各路輸出電壓。這兩種方法都存在調節誤差。但它們實現起來比較簡單，不增加電路的復雜性，適用于對輸出電壓精度要求較低的場合。
2)有源調節
有源調節也可稱為次級后置裝置調節，即通過在變壓器副邊加入一級有源調節裝置對次級整流電路進行調整來實現對輔輸出電壓的調整。以正激電路為例，圖2給出了五種不同類型的次級后置裝置調節方式，他們具有各自的優缺點。表l給出了不同類型調節方式在電路結構、效率、性價比、調整率以及應用場合等方面的特性比較。
2 新穎的多路輸出技術
1)恒流源實現多路輸出技術
傳統的多路輸出技術存在交叉調整率較差或者電路過于復雜等問題，恒流源多路輸出技術通過對幾個控制開關的簡單控制可很好的實現對不同負載的供電。
(1)工作原理
圖3給出了恒流源實現多路輸出的基本工作原理。如圖所示，多個平行負載分別通過一個輸出控制開關接在恒流源的后級，采用分時復用(TM)的方法，每個輸出開關在一個開關周期內只有一段間隔時間與電流源連接，通過控制開關的開通和關斷時間可以控制每路輸出電容上的電壓值，實現多路輸出電壓。該恒流源可以用平均電流控制型Buck，Buck—Boost，SEPIC，反激等單電感PWM DC—DC變換器來實現，如果輸入輸出需要電氣隔離則可用正激變換器拓撲。根據不同的電路拓撲，電路可工作在斷續(DCM)模式，也可工作在連續(CCM)模式，還能實現輸出的雙極性。
(2)控制方法
輸出開關S1、S2、S3的占空比控制有幾種控制方法。一種是滯后控制，如圖4所示。t1時間內第一路輸出電壓Uo1低于其下限值時，S1導通，電流源對輸出電容C1充電，輸出電壓逐漸升高，當達到它的上限電壓值時，S1關斷。當S1、S2、S3都關斷，沒有任何負載與恒流源接通時，Sr導通，恒流源通過Sr續流。每路輸出與恒流源的導通時間在一定范圍內取決于它的滯后帶寬。采用滯后控制的功率開關管開關頻率是不斷變化的，不利于電路參數的設計。
電壓反饋控制是另一種更可取的方法，對各個開關進行恒頻脈寬調制控制，各路輸出開關的控制信號應選用同一斜坡信號以保持同步。以兩路輸出的Buck變換器為例，如圖5所示。VT1和VT2，VTr和VT1，VTr和VT2的驅動信號之間須有一定的死區。
恒流源實現多路輸出技術的方法電路磁性元器件少，控制電路簡單，如開關占空比留有一定的死區時間則各路輸出之間完全不存在負載交叉調整率的問題，但輕載時效率較低，比較適用于便攜數字電路系統中的儲備電源。
2)PWM—PD(Pulse width modulation—pulsedelay control)多路輸出技術
(1)工作原理
PWM—PD多路輸出技術基于脈寬調制一脈寬延遲控制技術之上研究出新的多路輸出變換器拓撲。利用PWM—PD多路輸出技術獲得的獨立控制參數個數多于拓撲中可控器件的個數。它的基本工作原理如圖6(a)所示，以正反激變換器為例。電路有三路輸出，兩個功率開關管，中間為功率級。要實現三路精確輸出則需要三個獨立控制參數對電路進行控制。占空比dA、dB分別為VTA、VTB的同頻控制信號，控制第一路和第三路的輸出電壓。另外一個控制信號取決于dA、dB之間的延時dA、dd+dB控制第二路輸出電壓。這樣三個控制信號dA、dB、dd+dB就可實現三路輸出的精確調節。電路只需控制兩個開關功率器件就能獲得三路輸出電壓。該控制電路可以通過模擬集成芯片實現，亦可采用數字控制，控制信號dA、dB、dd應滿足下面條件，如圖6(b)所示
(2)典型應用
PWM—PD多路輸出技術適用于很多DC／DC拓撲。根據中間的DC／DC變換器功率模塊的不同拓撲結構可分為以下三類：
①無隔離變壓器的變換器，如圖7(a)；
②有變壓器并接有后置調節裝置的變換器，其中又包括變壓器多副邊及單副邊繞組兩種情況，如圖7(b)；
③有變壓器但不接后置調節裝置的變換器，如圖6(a)。
上述幾種PWM—PD多路輸出拓撲有些只適用于非隔離場合，有些受到功率等級的限制。文獻提出了一種基于PWM—PD控制技術的全橋式多路輸出變換器，見圖8。
基本工作原理：開關管VT1和VT2組成第一路不對稱半橋，VT3和VT4組成第二路不對稱半橋，兩組不對稱半橋并聯則組成一個全橋電路。對三路輸出分別進行采樣可獲得三個誤差放大電壓。利用Uo2的誤差信號產生兩路PWM—PD脈沖分別同步兩路PWM信號，兩路PWM信號可分別產生兩路互補信號UVTl、UVT2和UVT3、UVT4，經脈沖隔離變后分別控制四個開關管，則Uo1和Uo3可分別通過控制UVT1和UVT3的占空比獲得精確控制，Uo2由UVT1和UVT4之間的相移控制。
此外，通過擴展橋臂還可以實現2N一1路輸出(N為橋臂數)，每一路都能獲得精確控制。利用變壓器漏感還可以實現四個開關管的ZVS運行，使變換器可以工作在更高的開關頻率。該方法較之傳統的后置裝置調節控制電路更為簡單，所需元器件少，成本低，效率高，交叉調整率好，輸出電壓精確，對輸出電壓調整率要求高的大功率場合如通信電源、工業電源等具有實際意義。
3 結束語
交叉調整率是評估多路輸出開關電源的重要性能指標之一。本文對傳統的多路輸出控制技術進行了簡單介紹和總結，對于輸出精度不高的場合，低成本的無源調節方式可以滿足設計要求。隨著通信、數字處理技術的發展，輸出調整率好的大功率多路輸出變換器越來越受到業界的歡迎。基于PWM—PD控制技術的多路輸出變換器控制簡單，所需元件少，效率高，交叉調整率好，其研究對未來多路輸出技術的發展具有很好的參考價值。
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